掺稀稠油井系统效率计算方法改进

刘玉国，任文博，袁 波，李 浩，杨 志

(1.中国石化西北油田分公司，新疆 轮台 841604；2.西南石油大学，四川 成都 610500)

0 引 言

系统效率是评价抽油系统能耗和管理水平的重要指标[1]。各油田系统效率的测算均参考SY/T 5264—2012《油田生产系统能耗测试和计算方法》[2]及SY/T 5266—1996《机械采油井系统效率测试方法》[3]。不同油田的原油特性、开采方式和工作制度不同，抽油井系统效率也各有差异。目前，塔河油田稠油井基本采用环空掺稀油降黏方式，系统效率计算方法参考SY/T 5264—2012。塔河油田普通稠油井(非掺稀)与掺稀稠油井的系统效率计算数据表明，其系统效率远低于国内平均水平。针对此问题，通过分析掺稀稠油井系统效率的影响因素[4-5]，结合掺稀稠油井工况及生产特点，在现有行业标准基础上改进、研究出一套适用于稠油及掺稀稠油井的系统效率计算方法，对于科学客观评价稠油井和掺稀稠油井的系统效率具有重要意义。

1 现行计算方法与局限性

抽油井系统效率定义为系统有效功率P有与系统输入功率Pλ的比值，有效功率为：

(1)

式中：P有为抽油井系统有效功率，kW；Q为泵排出液量(地面产液量)，m3/d；ρL为油管内混合液密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；H为抽油泵有效扬程，m。

有效扬程为：

(2)

式中：Lr为动液面深度，m，可由回声仪法[6]或示功图法[7-8]测定；pt、pc分别为井口油压、套压，MPa。

分析表明,掺稀稠油井具有泵出口以上油管内流体黏度大、流动阻力大且环空内稀油密度通常小于油管内液体(混合液)密度的特点，故SY/T 5264—2012中推荐的抽油井系统效率计算方法在计算掺稀稠油井系统效率时存在局限：①有效功率中未计入抽油泵克服泵出口至井口的流动摩阻做功，稠油井摩阻较大，该项有效功率较大，导致稠油井有效功率被低估，系统效率偏低；②没有考虑环空掺入稀油对有效扬程和有效功率的影响；③没有考虑地面掺稀泵对输入功率的影响。因此，现有抽油井系统效率测算方法只适用于流动阻力很小且无掺稀生产工艺的稀油井，而不适用于普通稠油井与掺稀稠油井，不利于稠油井系统效率的客观评价。

2 改进算法

2.1 有效功率的改进算法

本质上，抽油系统有效功率为抽油泵克服其出口与入口压差所做的功，即：

P有=Q(ppump2-ppump1)/86.4

(3)

式中：ppump1为抽油泵入口压力，MPa；ppump2为抽油泵出口压力，MPa；

抽油泵的出口压力为：

ppump2=pt+10-6ρLgLp+pf

(4)

式中：Lp为泵挂深度，m；pf为抽油泵出口以上油管中的流动阻力，MPa。

掺稀稠油井抽油泵入口压力为：

ppump1=pc+10-6ρxg(Lp-Lf)

(5)

式中：ρx为掺入稀油的密度，kg/m3。

普通稠油井抽油泵入口压力为：

ppump1=pc+10-6ρog(Lp-Lf)

(6)

式中：ρo为原油密度，kg/m3。

有效功率改进算法的关键在于泵出口以上油管内摩阻的计算，该摩阻与油管内流体黏度和黏温关系有关，需逐段迭代计算油管内流动摩阻[9]。油管内流体黏温关系计算公式[10]为：

(7)

式中：Ti为第i段油管内的平均温度，℃；μLi为第i段油管内流体黏度，mPa·s；a、n为稠油黏温关系参数，推荐采用实测多组黏温数据回归拟合得到。

根据单位油管段内流体平均黏度，参考采油工程及流体力学方法[11-12]，推导出油管与抽油杆环空内的流动阻力为：

(8)

式中：Li为第i段油管长度，m；Doi、Dri分别为第i段油管的内径及对应抽油杆直径，mm。

有效功率本质上为抽油泵克服出口与入口压差所做的功，改进算法从这一理论出发，结合掺稀稠油井生产特点，对掺稀稠油井抽油泵出口与入口压力算法进行了改进：①计算泵出口压力时考虑了泵出口至井口的流动摩阻，见式(4)；②计算泵入口压力时考虑了掺入稀油密度与油管内流体密度的差异，用掺入稀油密度替代油管内流体密度，见式(5)；对于普通稠油井，泵入口压力计算方法见式(6)。改进后的有效功率计算方法既适合稀油井又适用于普通稠油井与掺稀稠油井。

2.2 有效扬程的改进算法

将式(3)、(4)、(5)代入式(1)，得到有效扬程为：

(9)

其中，普通稠油井用ρo代替ρx。

式(9)充分考虑了油管内流体的流动摩阻与环空掺入流体密度对有效扬程的影响，可用于稠油井和掺稀稠油井，因此，是抽油井有效扬程的“普适性”计算方法。

假如忽略油管内流动摩阻和油管内混合液密度与稀油密度的差异，式(9)与标准式(2)一致，即稀油井的标准算法只是改进算法的特殊形式。

2.3 掺稀泵对系统效率的影响

2.3.1 掺稀泵系统效率

掺稀稠油井抽油系统实际包含了掺稀与抽油2个部分，SY/T 5264—2012中只考虑了抽油泵部分，没有考虑掺稀泵对系统效率的影响。

掺稀泵输入功率为：

(10)

式中：Pcx1为掺稀泵输入功率，kW；Icx为掺稀泵电机电流，A；Ucx为掺稀泵电机电压，V；cosΦcx为掺稀泵电机功率因数。

掺稀泵有效功率为将稀油掺入井筒需克服掺稀管线摩阻、高程等做的功，即：

Pcx2=(pcxout-pcxin)Qcx/3.6

(11)

式中：Pcx2为掺稀泵有效功率，kW；Qcx为掺稀泵排量，m3/h；pcxout、pcxin分别为掺稀泵出口压力、入口压力，MPa。

掺稀泵系统效率为：

(12)

式中：ηcx为掺稀泵系统效率，%。

在稠油掺稀生产现场，一个掺稀系统(站)可能同时对多口井掺稀，为便于对掺稀与抽油组合系统的考核评价，可将掺稀系统的输入功率、有效功率按掺稀量进行分配。如某掺稀站输入功率为N1、有效功率为N2、总排量为Qcx,A井掺稀量为QA，则A井掺稀系统的输入功率为pcxA1=N1QA/Qcx，有效功率为pcxA2=N2QA/Qcx。

2.3.2 掺稀-抽油组合系统的系统效率

对于掺稀-抽油组合系统而言，全系统的输入功率为掺稀电机与抽油机电机输入功率之和；全系统有效功率为掺稀泵做功与抽油泵做功之和，则掺稀-抽油组合系统的系统效率为：

(13)

式中：η总为掺稀-抽油组合系统的系统效率，%；P总入、P总有分别为掺稀-抽油组合系统的输入功率和有效功率，kW。

3 现场实例应用分析

以塔河油田部分掺稀稠油井为例，根据抽油井基本测试参数和掺稀泵实测参数，得出掺稀稠油井不同算法的系统效率(表1)。

表1 掺稀稠油井不同算法系统效率对比

由表1中掺稀稠油井系统效率2种算法的对比可得到以下认识。

(1) 改进算法是在现行标准基础上结合掺稀稠油井生产特性推导得到的，如果不考虑掺稀稠油井油管内摩阻、环空稀油密度和掺稀泵的影响，改进算法同标准算法完全一致，也可用于稀油井系统效率的计算。

(2) 根据SY/T 5264—2012计算得到5口掺稀稠油井的平均有效扬程为1 364 m，平均有效功率为4.73 kW，考虑掺稀稠油井油管内摩阻和环空稀油密度的影响，用改进算法得到的平均有效扬程为1 600 m，平均有效功率为5.71 kW。各掺稀稠油井油管内摩阻、掺入稀油密度不同，有效扬程增加幅度也随之变化，进一步导致有效功率增加幅度不同。

(3) 根据SY/T 5264—2012计算得到的抽油部分平均系统效率为25.70%，改进算法得到的平均系统效率为33.20%，提高了7.50个百分点，这是由于改进算法“找回”了抽油泵克服泵出口以上油管内摩阻及密度差所做的有效功率，更能客观反映掺稀稠油井的实际状况。

(4) 掺稀-抽油组合系统包含抽油和掺稀2个部分，计算系统效率时，需考虑掺稀泵的影响，改进算法得到的掺稀-抽油全系统平均系统效率为35.46%，各掺稀稠油井系统效率的增加幅度与掺稀泵系统效率有关。

(5) 油管内流体黏度低、油管摩阻小，2种算法的系统效率差异小，如TH12159井；油管内流体黏度越大、油管摩阻越大，2种算法的差异越大，如TH12191井。因此，现行算法适用于稀油井，改进算法可用于稠油井、掺稀稠油井与稀油井系统效率的计算。

4 对稠油井系统效率测算标准的修正建议

除按照SY/T 5264—2012需对抽油系统的电参数(抽油机电机的输入功率或电流、电压和功率因数等)、井口参数(油管压力、套管压力、产液量、含水率等)、动液面、光杆参数(示功图)测试与计算外，稠油井和掺稀稠油井系统效率计算时还需考虑以下因素。

(1) 增加井口取样，并对取样流体按SY/T 0520—2008进行流体黏度测试[13](不少于3个黏温点)。

(2) 增加井口温度测试，以结合地层温度进行井筒温度计算。

(3) 增加油管直径、抽油杆直径和长度统计数据。

(4) 增加油管内流体黏度与油管内流动阻力的计算。

(5) 增加掺稀泵电机电参数、掺稀泵入口压力和出口压力、掺稀量的测量。

(6) 增加稀油密度测量，考虑掺入稀油密度对有效扬程的影响。

(7) 有效功率或有效扬程的计算中增加油管内流动摩阻、掺入稀油密度的影响项。

(8) 当掺稀稠油井需考虑掺稀泵影响时，增加掺稀-抽油全系统效率的计算。

5 结论与建议

(1) 现有抽油井系统效率测试与计算标准中未考虑克服油管内摩阻、克服环空流体密度与油管内流体密度差所做的有效功率，不适用于稠油井与掺稀稠油井。

(2) 稀油井、高含水井泵出口以上油管内摩阻很小，抽油井系统效率计算中可以不考虑该摩阻。

(3) 文中提出的系统效率改进算法同时适用于稀油井、稠油井、掺稀稠油井，便于不同类型井系统效率的横向对比。

(4) 建议修订SY/T 5264—2012时，抽油井系统效率计算方法参考文中提出的改进算法。

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